Experimentell kolumn Setup för att studera anaerob biogeokemiska interaktioner mellan järnhydroxider (Oxy), spårämnen och bakterier
Summary
Öde och Speciering av arsenik och kvicksilver i akviferer är närbesläktad med physio-kemiska förhållanden och mikrobiell aktivitet. Här presenterar vi en ursprungliga experimentella kolumn setup som härmar en akvifär och möjliggör en bättre förståelse av spårämnet biogeokemi under syrefria förhållanden. Två exempel presenteras, kombinera geokemiska och mikrobiologiska metoder.
Abstract
Omvandling, spridning och artbildning spårelement (TEs), såsom arsenik (As) och kvicksilver (Hg), i akviferer är närbesläktade physio-kemiska förhållanden, såsom redox potential (Eh) och pH, men också att mikrobiella aktiviteter som kan spela en direkt eller indirekt roll på artbildning eller rörlighet. Vissa bakterier kan faktiskt direkt oxidera As(III) till As(V) eller minska As(V) till As(III). Bakterier är också starkt engagerade i Hg Cykling, antingen genom dess metylering, bilda nervgift monometylfumarat kvicksilver, eller via dess förminskning till elementärt Hg °. Både som öden och Hg är också starkt kopplad till jord eller akvifer sammansättning; faktiskt, som och Hg kan binda till organiska föreningar eller (oxy) hydroxider, som kommer att påverka deras rörlighet. I sin tur bakteriell aktiviteter såsom järn (oxy) hydroxid minskning eller mineralisering av organiskt material kan indirekt påverka och Hg bindning. Förekomsten av sulfat/svavelväte kan också starkt påverka dessa specifika element genom bildandet av komplex såsom thio-arcenater med som eller metacinnabar med Hg.
Således många viktiga frågor har tagits upp på ödet och Speciering av som och Hg i miljön och hur du begränsar deras giftighet. På grund av sin reaktivitet mot akvifer komponenter är det dock svårt att klart skilja de biogeokemiska processer som inträffar och deras olika påverkan på ödet för dessa TE.
För att göra så, vi utvecklat ett original, experimentell, kolumn setup som härmar en akvifer med som – eller Hg-järn-oxid rika områdena kontra järn utarmat områden, möjliggör en bättre förståelse av TE biogeokemi under syrefria förhållanden. Följande protokoll ger steg för steg instruktioner för kolumn struktur antingen för som eller Hg, samt ett exempel med enligt järn och sulfat minska villkor.
Introduction
Förstå och förutsäga spårämne (TE) rörlighet och biogeokemi i miljön är nödvändiga för att övervaka, utveckla och tillämpa lämpliga ledningsbeslut för förorenade platser. Detta gäller särskilt giftiga TEs såsom arsenik (As) och kvicksilver (Hg). Omvandling, spridning och artbildning av dessa TEs i jord eller grundvattenmagasin är närbesläktade fysikalisk-kemiska förhållanden, såsom Eh och pH, men också att mikrobiella aktiviteter som kan spela antingen en direkt roll på artbildning eller en indirekt roll på rörlighet.
Vissa bakterier kan faktiskt direkt oxidera As(III) till As(V) eller minska As(V) till As(III). Detta påverkar som toxicitet, eftersom As(III) är den giftigaste formen av, och rörlighet, eftersom As(III) är mer rörliga än As(V), som lätt kan adsorbera till järnhydroxider (oxy) eller organiskt material1,2. Jämväl, bakterier är starkt involverade i kvicksilver Cykling, antingen genom dess metylering, främst av sulfat och järn minska bakterier3,4, bilda nervgift monometylfumarat kvicksilver (lätt bioaccumulated i livsmedelskedjan), eller genom dess förminskning till flyktiga elementärt Hg (Hg °)5.
Både som och Hg öden är också starkt kopplad till jord eller akvifer sammansättning, sedan föreningar såsom organiskt material eller järnhydroxider (oxy) kan påverka deras kvarstad och biotillgänglighet. As(V) adsorberas väl till järn (oxy) hydroxider6, medan Hg har en mycket hög affinitet för organiskt material (OM; främst för thiol grupper) men också för kolloidal järn eller mangan (oxy) hydroxider i OM utarmat miljöer7,8 , 9 , 10 , 11.
Bakteriell verksamhet kan sedan påverka ödet för TEs adsorberas till (oxy) hydroxider eller organiskt material genom minskning av järnhydroxider (oxy) eller mineraliseringen av organiskt material. Direkta järn minskning av bakterier är dominerande smittvägen för järn minskning av svavel utarmat zoner12,13, Fe(III) används som en terminal Elektronacceptor, indirekt, Fe(III) kan minskas till Fe(II) av svavelväte bildas av en bakteriell sulfat minskning14. Dessutom kan förekomsten av sulfat också ändra Hg och artbildning genom bildandet av komplex som thio-arcenater15 med som eller metacinnabar med Hg.
Således, en bättre förståelse för effekterna av järn och sulfat cykling på ödet för TE, såsom Hg och som, kunde hjälpa oss att bättre hantera förorenade områden och upprätthålla markens och vattnets kvalitet. Data kan också bidra till att förstärka befintliga metall-rörlighet modeller. Mikrobiell Fe (III)-minskning16,17,18 kan orsaka desorptionen av TE. Teoretiskt, indirekt minskning av järnhydroxider (oxy) av svavelväte produceras av mikrobiell minskning av sulfat kan också påverka TE rörlighet. Men studeras omfattningen och kinetik av dessa reaktioner generellt i homogen satssystem eller batch mikrokosmer16,18,19,20. Nackdelen med batch experimenten är avsaknaden av dissociation av de förekommande fenomen; faktiskt, aktiviteten är baserad på och begränsas av resurserna som finns i batch och endast ger ett slutresultat av förskjutningarna i artbildning och adsorption. En kolumn metod möjliggör förnyelse av inflowing media och övervakning av ödet för TE över tid och rum. Dessa villkor är mer realistisk jämfört med en akvifer, där verkliga fenomen är nära kopplade till kontinuerlig infiltration villkor. Dessutom heterogena järn (oxy) hydroxid förekomst i akvifer sediment är gemensamma21,23, och rumsliga förändringar i den mineralogiska och kemiska sammansättningen av de fasta faserna verkligen driver mikrobiella aktiviteter .
För att belysa påverkan av dessa heterogeneitiesna på geo-mikrobiella fenomen och ödet för järn-associerade TE, utvecklade vi ett laboratorium, en ständigt matad kolumn representerar en förenklad modell akvifer. Kolumnen fylls för att skapa en järn-utarmat zon vid kolumn ingången och en järnrik zon överst. Regelbunden provtagningsportar aktivera oss att studera varje zon individuellt samt gränssnitt-associerade fenomen. Ett exempel på tillämpningen av experimentella enheten för studier av Hg öde och artbildning är redan tillgänglig24. Här ger vi en detaljerad beskrivning av den experimentella setup och ett andra exempel på dess tillämpning som fokuserar på beteende som i förorenade vattentäkter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den experimentella kolumn setup visade sig vara en bekväm laboratoriet enheten att studera anaerob biogeokemiska processer i kontinuerlig villkor. Kontinuerlig spalt system tillåter arbetar i förhållanden närmare dem i verkliga akviferer än flytgödsel satssystem eller mikrokosmos. Kontinuerliga system kan simulera rörelsen av grundvattnet genom akvifer sediment.
Det mest kritiska steget inom protokollet förbereder de TE-järnhydroxider (oxy) och blandningen med kiselgel och sand, som …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete nansierades av BRGM, postdoktorala bidrag från de Conseil Général du Loiret och Carnot Institute. Vi erkänner också tacksamt det ekonomiska stödet till projektet PIVOTERNA av Région Centre – Val de Loire.
Materials
| Glass columns | Beaucaverre, France | Specific request | columns were composed of 3 separate pieces, the main column core with the cooling jacket and the 5 sampling ports (size GL14 with olive) and a top and bottom piece that fits to the main column body and is held in place with a silicone joint and screw (RIN F 40×38 & SVL 42). note: this design was discussed directly with the company. We recommend to find a local glazier. |
| Septa PTFE/silicone diam 20mm | Sigma-Aldrich | 508608 | |
| PTFE tubing ID 3mm | VWR | 228-0745 | |
| Peristaltic pump | Dominique Dutsher SAS | 66493 | |
| Peristaltic pump tubing LMT 55 | VWR | 224-2250 | Tygon® LMT 55 |
| Fontainbleau sand D50=209 µm | SIBELCO, France | ||
| N2 for bubbling | Air Liquide, France | ||
| Gamma iradiation | Ionisos, Dagneux, France | ||
| Automatic Mercury Analyser (AMA 254, ) | Courtage Analyses, France | ||
| Varian SpectrAA 300 Zeeman | Agilent | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemicals | |||
| HNO3 Supra pur | VWR | 1.00441.1000 | Producer: Merck |
| HCL 30% Supra pur | VWR | 1.00318.1000 | Producer: Merck |
| Hg(NO3)2 | Merck | 516953 | |
| As2O3 | Merck | 202673 | |
| FeCl3-6H2O | Merck | 207926 | |
| silica gel | Sigma-Aldrich | 336815-500G |
References
- Oremland, R. S., Stolz, J. F. The Ecology of Arsenic. Science. 300 (5621), 939 (2003).
- Silver, S., Phung, L. T. Genes and enzymes involved in bacterial oxidation and reduction of inorganic arsenic. Appl Environ Microbiol. 71 (2), 599-608 (2005).
- Compeau, G. C., Bartha, R. Sulfate-Reducing Bacteria: Principal Methylators of Mercury in Anoxic Estuarine Sediment. Appl. Environ. Microbiol. 50, (1985).
- Fleming, E. J., Mack, E. E., Green, P. G., Nelson, D. C. Mercury Methylation from Unexpected Sources: Molybdate-Inhibited Freshwater Sediments and an Iron-Reducing Bacterium. Appl. Environ. Microbiol. 72 (1), 457-464 (2006).
- Barkay, T., Miller, S., Summers, A. Bacterial mercury resistance from atoms to ecosystems. FEMS Microbiol Rev. 27 (2-3), 355-384 (2003).
- Dixit, S., Hering, J. G. Comparison of arsenic(V) and arsenic(III) sorption onto iron oxide minerals: Implications for arsenic mobility. Environ. Sci. Technol. 37, (2003).
- Andersson, H. A., Nriagu, J. O. . The Biochemistry of Mercury in the Environnment. , 79-112 (1979).
- Khwaja, A., Bloom, P. R., Brezonik, P. L. Binding Constants of Divalent Mercury in Soil Humic Acids and Soil Organic. Environ. Sci. Technol. 40, (2006).
- Neculita, C. M., Zagury, G. J., Deschenes, L. Mercury Speciation in Highly Contaminated Soils from Chlor-Alkali Plants Using Chemical Extractions. J Environ Qual. 34 (1), (2005).
- Schuster, E. The behaviour of mercury in the soil with special emphasis on complexation and adsorption processes – a review of the literature. Water Air Soil pollut. 56 (56), 667-680 (1991).
- Wallschläger, D., Desai, M. V. M., Spengler, M., Windmöller, C. C., Wilken, R. D. How humic substances dominate mercury geochemistry in contaminated floodplain soils and sediments. J. Environ. Qual. 27 (5), (1998).
- Lovley, D. R. Dissimilatory Fe(III) and Mn(IV) reduction. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 55 (2), 259-287 (1991).
- Lovley, D. R., Kashefi, K., Vargas, M., Tor, J. M., Blunt-Harris, E. L. Reduction of humic substances and Fe(III) by hyperthermophilic microorganisms. Chem. Geol. 169 (3-4), 289-298 (2000).
- Hansel, C. M., et al. Structural constraints of ferric (hydr)oxides on dissimilatory iron reduction and the fate of Fe(II). Geochimica Cosmochimica Acta. 68, 3217-3229 (2004).
- Thamdrup, B., Fossing, H., Jørgensen, B. B. Manganese, iron and sulfur cycling in a coastal marine sediment Aarhus bay, Denmark. Geochim.Cosmochim. Acta. 58 (23), 5115-5129 (1994).
- Planer-Friedrich, B., London, J., McCleskey, R. B., Nordstrom, D. K., Wallschläger, D. Thioarsenates in Geothermal Waters of Yellowstone National Park: Determination, Preservation, and Geochemical. Environ. Sci. Technol. 41 (15), 5245-5251 (2007).
- Burnol, A., et al. Decoupling of arsenic and iron release from ferrihydrite suspension under reducing conditions: a biogeochemical model. Geochem. Trans. 8 (1), 12 (2007).
- Kocar, B. D., et al. Integrated biogeochemical and hydrologic processes driving arsenic release from shallow sediments to groundwaters of the Mekong delta. Appl. Geochem. 23 (11), (2008).
- Harris-Hellal, J., Grimaldi, M., Garnier-Zarli, E., Bousserrhine, N. Mercury mobilization by chemical and microbial iron oxide reduction in soils of French Guyana. Biogeochem. 103 (1), (2011).
- Islam, F. S., et al. Role of metal-reducing bacteria in arsenic release from Bengal delta sediments. Nature. 430, (2004).
- Schultz-Zunkel, C., Rinklebe, J., Bork, H. R. Trace element release patterns from three floodplain soils under simulated oxidized-reduced cycles. Ecol. Eng. 83, 485-495 (2015).
- Nickson, R. T., et al. Mechanisms of arsenic release to groundwater, bangladesh and West Bengal. App. Geochem. 15, 403-413 (2000).
- Varsanyi, I., et al. Arsenic, iron and organic matter in sediments and groundwater in the Pannonian basin, Hungary. App. Geochem. 21, 949-963 (2006).
- Hellal, J., et al. Mercury mobilization and speciation linked to bacterial iron oxide and sulfate reduction: A column study to mimic reactive transfer in an anoxic aquifer. J. Contam. Hydrol. 180, 56-68 (2015).
- Battaglia-Brunet, F., Dictor, M. C., Garrido, F., Crouzet, C., Morin, D., Dekeyser, K., Clarens, M., Baranger, P. An arsenic(III)-oxidizing bacterial population: selection, characterization, and performance in reactors. J Appl. Microbiol. 93 (2002), 656-667 (2002).
- Salvato, N., Pirola, C. Analysis of mercury traces by means of solid sample atomic absorption spectrometry. Microchim Acta. 123 (1), 63-71 (1996).
- Huguet, L. . Caractérisation biogéochimique et potentiel de méthylation du mercure de biofilms en milieu tropical (retenue de Petit Saut et estuaire du Sinnamary, Guyane Française). . , (2009).
- Mamindy-Pajany, Y., et al. Arsenic in Marina Sediments from the Mediterranean Coast: Speciation in the Solid Phase and Occurrence of Thioarsenates. Soil Sed. Contam. 22, 984-1002 (2013).
- dos Santos Afonso, M., et al. Reductive dissolution of iron(III) (hydro)oxides by hydrogen sulfide. Langmuir. 8, 1671-1675 (1992).
- Postma, D., et al. Redox zonation: equilibrium constraints on the Fe(III)/SO4-reduction interface. Geochem Cosmochim. Acta. 60, 3169-3175 (1996).
- Kumar, N., et al. Sulfur and oxygen isotope tracing in zero valent iron based In situ remediation system for metal contaminants. Chemosphere. 90, 1366-1371 (2013).
